Pneumatischer Linearantrieb mit einer Zylinder-Kolben-Einheit

Abstract

 In dem pneumatischen Linearantrieb mit einem Zylinder (1) und einem Kolben (2) sind Kolben (2), Klemmkörper (3) in zwei Umfangnuten (2.1) angeordnet. Die Klemmkörper (3) können durch Kippen in eine Klemmstellung oder eine Freilaufstellung gebracht werden. Am Kolben sind zwei Kränze von Klemmkörpern 3 vorhanden, die Arretierung des Kolbens (2) in der einen oder anderen Bewegungsrichtung dienen. Jedem Kranz von Klemmkörpern (3) ist ein Druckring (14, 15) zugeordnet, der nach Beaufschlagung durch Druckluft die Klemmkörper (3) in ihre Freilaufstellung kippt, sodass der Kolben (2) im Zylinder (1) eine Längsbewegung in die freigegebene Richtung ausführen kann. Die Arretierung des Kolbens durch die Klemmkörper (3) in beliebigen Stellungen weist den Vorteil auf, dass im Gegensatz zu bekannten Linearantrieben die gesamte Kolbenfläche für die Beaufschlagung mit Druckluft zur Verfügung steht. Die Beaufschlagung der beiden Kränze von Klemmkörpern (3) erfolgt über ein Servoventil (6) und einem je einem Kranz zugeordneten Steuerventil (5a, 5b).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Linearantrieb mit einer Zylinder-Kolben-Einheit, dessen Kolben in beliebigen Hubstellungen arretierbar und blockierbar ist.

[0002] Pneumatische Linearantriebe sind in verschiedene Ausführungen bekannt und dienen als Antriebs-, Führungs- und Positioniervorrichtungen. Ein weites Anwendungsgebiet sind beispielweise Handhabungseinrichtungen in der Fertigungstechnik, wo es erforderlich ist, dass der Arm einer Handhabungseinrichtung bis zu bestimmten Positionen ausgefahren und von diesen wieder in die Ausgangsstellung eingefahren werden kann. Die Eignung und die Einsatzmöglichkeiten solcher Vorrichtungen hängt in hohem Masse von der Positionier-Geschwindigkeit und von der Positionier-Genauigkeit ab.

[0003] Eine positionierbare pneumatische Anlage besteht ausser dem pneumatischen Linearantrieb aus einem Servoventil, welches durch Leitungen an einer Druckquelle, beispielsweise an einem Kompressor oder an einem Druckspeicher, angeschlossen ist sowie aus einer Positions-Abtasteinrichtung und einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem programmierbaren Prozessor. Die Steuereinrichtung ermittelt über die Abtasteinrichtung die Ist-Position des Kolbens der Zylinder-Kolben-Einheit und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Soll-Position. Weicht die Ist-Position von der Soll-Position ab, wird das Servo-Ventil solange angesteuert, bis die Ist-Position innerhalb einer zulässigen Toleranz zur Soll-Position liegt. Ist die Steuereinrichtung programmierbar können beispielsweise über eine Tastatur die gewünschten Soll-Positionen und andere Daten eingegeben werden. Selbstverständlich kann einer solcher Prozessor auch mit einer übergeordneten Steuerung verbunden sein. Beim Servoventil handelt es sich um ein verstellbares Mehrwegeventil, mittels welchem wahlweise entweder die eine oder die andere Seite des Druckraumes des Pneumatikzylinders mit Druckluft beaufschlagt wird und wo der im Zylinder befindliche Kolben hin- und herbewegt werden kann oder durch gleichmässigen Druck auf beiden Seiten in seiner Position gehalten wird.

[0004] Bei den bekannten Pneumatik-Zylindern oder pneumatischen Linearantrieben ist es nachteilig, dass, bedingt durch das nicht genau arbeitende System von Druck und Gegendruck, das exakte Anfahren einer gewünschten Position nur innerhalb einer verhältnismässig grossen Toleranz möglich ist. Zudem ist, nicht zuletzt durch die Kompressibilität der Druckluft das unverrückbare Einhalten der Position nicht möglich, sobald der Linearantrieb Krafteinwirkungen von aussen ausgesetzt ist, wie dies beispielsweise bei den eingangs erwähnten Handhabungseinrichtungen der Fall ist. Zudem ist die volle Ausnützung der Druckkraft wegen der benötigten Gegenkraft nicht möglich.

[0005] Es sind zwar Linearantriebe bekannt, die in ihren Endstellungen mit einer Blockiervorrichtung festgehalten werden können. Damit kann zwar in zwei Stellungen eine unverrückbare Positionierung des Kolbens erreicht werden, nicht jedoch in den Zwischenstellungen zwischen den beiden Endstellungen. Dieser Nachteil kann durch eine bekannte Ausführungsform des Linearantriebes behoben werden, bei welcher in der Kolbenstange eine Spreizhülse eingebaut ist, die durch einen relativ dazu verschiebbaren Spreizkonus gespannt werden kann, sodass die Kolbenstange und damit der Kolben in seiner Lage fixiert ist. Für die Bewegung des Spreizkonus gegenüber der Spreizhülse, ist zusätzlich zur gesamten Anlage ein Pneumatikzylinder mit einem Kolben erforderlich, der am Linearantrieb angebaut ist und mit seiner Kolbenstange durch die Kolbenstange der Zylinder-Kolben-Einheit ragt und den Spreizkonus gegenüber der Spreizhülse verschiebt. Die Spreizhülse muss aber mittels einer in der Kolbenstange des Linearantriebes eingebaute Haltestange gehalten werden. Mit dieser Ausführung kann zwar der Kolben in einer beliebigen Lage positioniert und fixiert werden, jedoch geht von der gesamten Zylinderfläche die Fläche verloren, die für die Betätigungsstange des Spreizkonus und für die Haltestange der Spreizhülse benötigt werden. Die Lösung eines positionierbaren und fixierbaren pneumatischen Linearmotors ist dementsprechend aufwendig, sowohl bezüglich des Bauvolumens als auch wegen der Kompliziertheit der Blockiervorrichtung.

[0006] Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, einen pneumatischen Linearantrieb der eingangs beschriebenen Art so weiter auszugestalten, dass ebenfalls eine beliebige Positionierung mit Fixierung des Kolbens möglich ist, dass aber bezüglich der Dimensionen der Zylinder-Kolben-Einheit keine die Leistungsfähigkeit desselben erniedrigenden Massnahmen berücksichtigt werden müssen.

[0007] Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass zwischen den bewegten Teilen der Zylinder-Kolben-Einheit Klemmkörper angeordnet sind, welche durch das Druckmedium steuerbar und bei Druckbeaufschlagung in die Freilaufstellung und bei Druckentlastung in eine Klemmstellung kippbar sind.

[0008] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Querschnitt einer Zylinder-Kolben-Einheit eines pneumatischen Linearantriebes,

Fig. 2 einen Teilschnitt der Zylinder-Kolben-Einheit mit der Darstellung eines Klemmkörpers in der Klemmstellung und in der Freilaufstellung,

Fig. 3 einen Längsschnitt der Zylinder-Kolben-Einheit nach Fig. 1 längs der Linie I-I in Figur 1 und

Fig. 4 einen Längsschnitt der Zylinder-Kolben-Einheit nach Fig. 1 längs der Linie II-II in Figur 1.

[0009] Aus Figur 1 ist ein Zylinder 1 mit einem koaxial angeordneten Kolben 2 ersichtlich. Zwischen dem Kolben 2 und der Innenwand des Zylinders 1 ist in einer Umfangsnut 2.1 eine Anzahl von Klemmkörpern 3 angeordnet. In Figur 2 ist der Klemmkörper 3 in der linken Figur in seiner Klemmstellung und in der rechten Figur in seiner Freilaufstellung dargestellt. Jeder Klemmkörper 3 ist so geformt, dass seine Höhe längs der Linie a-a für die Klemmstellung grösser ist als seine Höhe längs der Linie b-b für die Freilaufstellung. Durch Kippen der Klemmkörper 3 kann die Innenwand des Zylinders 1 mit dem Kolben 2 gegenseitig fixiert werden, sodass eine Längsbewegung des Kolbens 2 in einer der beiden Hubrichtungen unmöglich ist, ohne dass der Kolben 2 vom Zylinder 1 freigegeben wird. Es sind deshalb zwei Kränze von Klemmkörpern 3 vorzusehen, von denen je einer zum Fixieren des Kolbens 2 in einer der beiden Bewegungsrichtungen dient, siehe Figur 3. In Figure 3 ist der im Zylinder 1 befindliche Kolben 2 dargestellt. Zwei in Figur 3 dargestellte Steuerventile 5a, 5b befinden sich in Wirklichkeit in Kolben 2, sind aber zur besseren Uebersicht ausserhalb des Kolbens dargestellt. Je ein Steuerventil 5a, 5b ist einem der beiden Kränze von Klemmkörpern 3 zugeordnet. Die gestrichelt dargestellten Leitungen 7a, 7b, 8a, 8b, 9b, 10b, 11, 12 sind als Bohrungen im Kolben 2 zu verstehen. Mit 6 ist ein Servoventil bezeichnet, welches im wesentlichen ein 4/3-Wegventil ist, welches über vier Leitungsanschlüsse und drei Schaltstellungen aufweist. Das Servoventil 6 ist über eine Leitung 6.1 mit einer Druckquelle 6.2 verbunden.

[0010] Die Steuerventile 5a, 5b sind beide genau gleich ausgebildet und steuern die Betätigung der Klemmkörper 3 in der gewünschten Weise, wie dies noch erläutert wird. Die Steuerventile 5a, 5b weisen einen Hauptkolben 13 auf, dem ein kleinerer Steuerkolben 13.1 zugeordnet ist. In einem Innenraum 13.2 des Hauptkolbens 13 und des Steuerkolbens 13.1 ist eine Druckfeder 13.3 eingelegt, welche die beiden Kolben 13, 13.1 von einander trennen will. Auf der dem Steuerkolben 13.1 gegenüber liegenden Seite des Hauptkolbens 13 ist ein federbelastetes Druckventil 5.1 angeordnet, an dem die Leitungen 7a, 9b bzw. 8a, 10b münden und das über einen Durchgang 5.2 mit der einen Stirnseite des Hauptkolbens 13 in Verbindung steht. An der gegenüberliegenden Seite des Hauptkolbens 13 ist eine Entlüftungsleitung 5.3 angeordnet, von der eine Zweigleitung 5.4 zum Steuerkolben 13.1 abzweigt.

[0011] Der beschriebene pneumatische Linearantrieb arbeitet wie folgt:

[0012] Soll der Kolben 2 beispielsweise nach rechts bewegt werden, wird das Servoventil 6 so geschaltet, dass die Leitung 7a mit Druckluft beaufschlagt wird. Die Druckluft gelangt über das Druckventil 5.1 auf die Unterseite des Hauptkolbens 13, der entgegen der Kraft einer Druckfeder 13.3 nach oben gedrückt wird. Dort wird die Druckluft über die Leitung 7b in den Rücken eines Druckringes 14 geführt. Der Druckring 14 befindet sich in der Umfangsnut 2.1 des Kolbens 2 und steht in Berührung mit den Klemmkörpern 3 des rechten Klemmkörperkranzes. Der Druckring 14 ist in der Umfangsnut 2.1 axial verschiebbar angeordnet. Durch die durch Leitung 7b ankommende Druckluft wird der Druckring 14 in Richtung des Klemmkörpers 3 verschoben, wodurch diese von ihrer Klemmstellung in die Freilaufstellung gekippt werden. Der Klemmkörper 3 weist eine entsprechende Formgebung auf, dass der Druckring 14 am Fuss 3.1 des Klemmkörpers 3 angreift und so die Kippbewegung einleitet.

[0013] Durch das Verschieben des Druckringes 14 wird gleichzeitig der Anschluss der Leitung 7c frei, wodurch die Druckluft ihren Weg bis zum linken Druckraum 15 des Zylinders 1 fortsetzen kann, welchen sie über ein Druckventil 16 erreicht. Durch den im Druckraum 15 des Zylinders 1 ansteigenden Druck wird der Kolben 2 nach rechts gedrückt. Dies erfolgt ungehindert, da die dem Druckring 14 zugeordneten Klemmkörper 3 in ihrer Freilaufstellung sind. Die im rechten Druckraum 17 des Zylinders 1 befindliche Luft kann durch die Leitung 10a, Druckventil 17.1, Leitung 10b, Druckventil 5.1 und Leitung 8a, siehe Figur 4, dem Servoventil 6 zugeführt und von dort dem Druckluft-System zurückgeführt werden.

[0014] Ist die gewünschte Position des Kolbens 2 im Zylinder 1 erreicht, wird mittels des Servoventils 6 die Druckluftzufuhr unterbrochen, worauf sich der Druckring 14 sofort durch die Kraft von Druckfedern 18, siehe Figur 4, in seine ursprüngliche Stellung zurückverschiebt. Die Druckfedern 18 sind in Längsbohrungen 18.1 in Kolben 2 geführt. Die den Druckring 14 zugeordneten Klemmkörper 3 kippen dabei, unterstützt durch Druckfedern 20, augenblicklich in ihre Sperrstellung und halten den Kolben 2 fest. Die im Rücken des Druckringes 14 noch befindliche Luft kann durch die Leitungen 7b, 11, über Steuerkolben 13.1 und Leitung 5.4 über die Entlüftungsleitung 5.3 nach aussen entweichen.

[0015] Die auf den Druckring 14 wirkenden Druckfedern 18 stützen sich an einen zweiten, gleichartigen Druckring 19 ab, welcher einem zweiten Kranz von Klemmkörpern 3 zugeordnet ist und für die Arretierung des Kolbens 2 in der Gegenrichtung sorgt. Wird das Servoventil 6 in die mittlere Stellung gebracht, in welcher weder Druckluftzufuhr noch Druckluftableitung erfolgt, werden die beiden Druckringe 14, 19 durch die Druckfedern 18 voneinander weggedrückt, wodurch sich beide Kränze von Klemmkörpern 3 in ihrer Klemmstellung befinden. Die auf der Rückseite der Kolben 14, 19 befindliche Druckluft wird über die Leitungen 7b, 11, 5.4 bzw. Leitung 8b, 12, 5.4 und über die Entlüftungsleitung 5.3 nach aussen geleitet.

[0016] Die dem Klemmkörper 3 zugeordneten Federn 20 bewirken, dass die Klemmkörper 3 selbst in ihrer Freilaufstellung stets in leichtem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders 1 bleiben. Hierdurch ergibt sich beim Zurückweichen des Druckringes 14 bzw. 19 eine sofortige Klemmwirkung und damit eine rasche Reaktion auf den Steuerbefehl, den Kolben 2 zu arretieren, wodurch eine hohe Positioniergenauigkeit des beschriebenen Linearantriebes gewährleistet wird.

[0017] Mittels der dritten Schaltstellung des Servoventils 6 wird der Kolben 2 in gleicher Weise, wie dies vorstehend beschrieben wurde, nach links geschoben werden. Hierbei wird Druckluft über die Leitung 8a, Druckventil 5.1 des Steuerventils 5b und Leitung 8b auf die Rückseite des Druckringes 19 geführt, der die ihm zugeordneten Klemmkörper 3 in die Freilaufstellung drückt, worauf Druckluft über die Druckleitung 8c und Druckventil 16 in den Druckraum 17 geleitet wird, durch welche der Kolben 2 nach links verschoben wird. Die im linken Druckraum 15 des Zylinders 2 befindliche Luft kann dabei über die Leitungen 9a, 9b, 7a und das Servoventil 6 abgeleitet werden, siehe Figur 4.

[0018] Die vorstehend beschriebene Ausführung des Arretier-Systems ist sowohl für Pneumatikzylinder mit Kolbenstange als auch für kolbenstangenlose Pneumatikzylinder geeignet. Im letztgenannten Fall ist ein in Längsrichtung an der Aussenwand des Zylinders 1 verfahrbarer Schlitten vorgesehen, welcher durch einen mit erntsprechenden Abdichtungen versehenen Längsschlitz im Zylinder 1 mit dem Kolben 2 in Verbindung steht. Bei einem Linearantrieb mit einem Pleumatikzylinder mit Kolbenstange können die Klemmkörper 3 anstatt wie im Ausführungsbeispiel am Kolben 2 an der Austrittsöffnung der Kolbenstange aus dem Zylinder 1 angeordnet sein und dort in ihrer Arretierstellung die Kolbenstange festklemmen und damit den Kolben 2 arretieren.

[0019] Bei einem Linearantrieb mit einem kolbenstangenlosen Kolben können die Klemmkörper 3 am aussenliegenden Schlitten angeordnet sein, wo sie in ihrer Arretierstellung den Schlitten an der Zylinderaussenwand festklemmen, wodurch über den Schlitten auch der Kolben 2 arretiert wird.

[0020] Statt der in Figur 1 angeordneten sieben Klemmkörper 3 für jeden Klemmkörperkranz kann auch eine andere Zahl von Klemmkörpern 3 vorgesehen werden.

[0021] Sowohl die Innenwand des Zylinders 1 als auch die Klemmkörper 3 bestehen zweckmässig aus gehärtetem Stahl. Als Druckluft eignet sich die üblicherweise für Druckluftnetze zur Verfügung gestellte gefilterte, geölte Druckluft.

Ansprüche

1. Pneumatischer Linearantrieb mit einer Zylinder-Kolben-Einheit, deren Kolben (2) in beliebigen Hubstellungen arretierbar und blockierbar ist, dadurch gekennzeichnet dass zwischen den bewegten Teilen der Zylinder-Kolben-Einheit (1, 2) Klemmkörper (3) angeordnet sind, welche durch ein gesteuertes Druckmittel in eine Klemmstellung oder Freilaufstellung kippbar sind.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (3) in einer Umfangsnut (2.1) am Kolben (2) angeordnet sind und in ihrer Klemmstellung den Kolben (2) an der Zylinderinnenwand arretieren.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Kolben (2) mit einer Kolbenstange verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (3) an der Austrittsöffnung der Kolbenstange aus dem Zylinder (1) angeordnet sind und in ihrer Klemmstellung die Kolbenstange und damit indirekt auch den Kolben (2) arretieren.

4. Linearantrieb nach Anspruch 1, wobei der Kolben (2) kolbenstangenlos ausgeführt ist und statt diesem mit einem aussen auf dem Zylinder (1) längs verfahrbaren Schlitten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (3) am Schlitten angeordnet sind und dort in ihrer Klemmstellung den Schlitten an der Zylinderaussenwand und damit den mit dem Schlitten in Verbindung stehenden Kolben (2) indirekt arretieren.

5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass längs oder quer zur Kolben-Längsachse zwei Gruppen von Klemmkörpern (3) angeordnet sind, wobei die eine Gruppe für das Arretieren des Kolbens (2) in der einen Bewegungsrichtung und die andere Gruppe für die andere Bewegungsrichtung vorgesehen ist.

6. Linearantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gruppen von Klemmkörpern (3) als Kränze von Klemmkörpern ausgebildet sind.

7. Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Kranz von Klemmkörpern (3) ein Druckring (14, 19) vorgesehen ist, welcher koaxial zur Kolbenlängsrichtung verschiebbar ist und mit den Klemmkörpern (3) in Berührung steht, sodass bei dessen Verschieben die Klemmkörper (3) in ihre Freilaufstellung gekippt werden.

8. Linearantrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Druckringen (14, 19) eine Anzahl Druckfedern (18) vorgesehen ist, welche die beiden Druckringe von einander wegdrücken und damit die Klemmkörper (3) in ihrer Klemmstellung halten.

9. Linearantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckringe (14, 19) durch Druckluft entgegen der Kraft der Druckfedern (18) in Richtung der Kolbenachse verschiebbar sind, wodurch die den Druckringen zugeordneten Klemmkörper (3) in ihre Freilaufstellung gekippt werden.

10. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Klemmkörper (3) durch eine Feder (20) in seiner Freilaufstellung stets in leichtem Kontakt mit der Innenwand des Zylinders (1) gehalten ist.

Zeichnung